JP2013125874A - Laser element and optical record reproducing device with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物系半導体よりなるレーザ素子及びそれを光源に用いる光記録再生装置に関する。 The present invention relates to a laser element made of a nitride semiconductor and an optical recording / reproducing apparatus using the laser element as a light source.
光記録再生装置にあっては、記録の高密度化のため、光源の短波長化が課題となっている。レンズや記録媒体である光ディスクがプラスチック材料で形成されている場合、光源の波長を400nm前後とすることが求められる。このような短波長の光源としては窒化ガリウムに代表される窒化物から成る半導体レーザ素子が適している。特許文献1〜3に窒化物系半導体レーザ素子の例を見ることができる。 In the optical recording / reproducing apparatus, it is a problem to shorten the wavelength of the light source in order to increase the recording density. When an optical disk as a lens or a recording medium is formed of a plastic material, the wavelength of the light source is required to be around 400 nm. As such a short wavelength light source, a semiconductor laser element made of a nitride represented by gallium nitride is suitable. Examples of nitride-based semiconductor laser devices can be found in Patent Documents 1 to 3.
特許文献1に記載された窒化物系半導体レーザ素子はリッジ構造を備える。このレーザ素子はリッジ構造の下部から0.3μm以上離間して活性層における光の共振方向に延びる光吸収部を備え、この光吸収部により、レーザ光の利用に際して悪影響を及ぼし易い自然放出光の低減が図られている。 The nitride-based semiconductor laser device described in Patent Document 1 has a ridge structure. This laser element has a light absorption part extending in the resonance direction of the light in the active layer at a distance of 0.3 μm or more from the lower part of the ridge structure, and this light absorption part allows spontaneous emission light that tends to have an adverse effect on the use of laser light. Reduction is being achieved.
特許文献2に記載された窒化物系半導体レーザ素子はストライプ状のリッジ構造を備える。このレーザ素子には出射端面と接するように凹部が設けられ、この凹部の側面は粗面とされている。リッジストライプからの漏れ光は凹部の側面では反射しないため、高反射面との間で多重反射せず、電流−光出力特性に雑音が生じることが防がれている。 The nitride-based semiconductor laser device described in Patent Document 2 has a striped ridge structure. The laser element is provided with a recess so as to be in contact with the emission end surface, and the side surface of the recess is a rough surface. Since the leaked light from the ridge stripe is not reflected on the side surface of the recess, it is not subjected to multiple reflection with the highly reflective surface, and noise is prevented from occurring in the current-light output characteristics.
特許文献3に記載された窒化物系半導体レーザ素子はリッジストライプを備える。リッジストライプが形成されて露出した露出面の少なくとも一部に、不純物を添加したGaN層が形成され、このGaN層を吸収層としてはたらかせて、遠視野像がリップルなしの単峰ガウシアン形状となるようにしている。 The nitride-based semiconductor laser device described in Patent Document 3 includes a ridge stripe. A GaN layer doped with impurities is formed on at least a part of the exposed surface formed by the ridge stripe, and this GaN layer serves as an absorption layer so that the far-field image has a single-peak Gaussian shape without ripples. I have to.
光記録再生装置の光源として用いられる窒化物系半導体レーザ素子は、レンズで集光するため単一横モードで動作する必要がある。しかしながら出力が増加すると単一横モードが崩れ、多横モード化する傾向がある。これは電流−光出力特性で折れ曲がりとして現れ、その折れ曲がりはI−L特性のキンクと呼ばれる。レンズによる集光が困難になる多横モード化は極力避ける必要がある。 A nitride-based semiconductor laser element used as a light source of an optical recording / reproducing apparatus needs to operate in a single transverse mode because it is focused by a lens. However, when the output increases, the single transverse mode collapses and there is a tendency to change to the multiple transverse mode. This appears as a bend in the current-light output characteristic, and the bend is called an IL characteristic kink. It is necessary to avoid as much as possible the multi-lateral mode that makes it difficult to collect light with a lens.
単一横モードを維持する手段の一つは、光を導波する導波路層の厚さを狭くすることである。しかしながらリッジ構造を持つ半導体レーザ素子において導波路層厚を狭くするということは電流狭窄領域を狭くすることと同義であり、より高い駆動電圧が必要になる。 One means of maintaining a single transverse mode is to reduce the thickness of the waveguide layer that guides light. However, narrowing the waveguide layer thickness in a semiconductor laser device having a ridge structure is synonymous with narrowing the current confinement region, and a higher driving voltage is required.
単一横モードの維持は、発振波長が短くなるほど、また材料屈折率が小さくなるほど難しくなる。光記録再生装置の光源として現在多く用いられているGaAs等の半導体レーザ素子は発振波長が660nm、780nm程度であり、材料屈折率が3.5程度であるのに対し、窒化物系半導体レーザ素子は発振波長は405nmであり、材料屈折率は2.5程度である。すなわち窒化物系半導体レーザ素子はGaAs等の半導体レーザ素子に比べ単一横モードの維持が困難である。 The maintenance of the single transverse mode becomes more difficult as the oscillation wavelength becomes shorter and the material refractive index becomes smaller. Semiconductor laser elements such as GaAs, which are currently widely used as light sources for optical recording and reproducing devices, have oscillation wavelengths of about 660 nm and 780 nm and a material refractive index of about 3.5, whereas nitride-based semiconductor laser elements Has an oscillation wavelength of 405 nm and a material refractive index of about 2.5. That is, it is difficult for a nitride semiconductor laser element to maintain a single transverse mode as compared with a semiconductor laser element such as GaAs.
導波層厚を狭くするという手法を窒化物系半導体レーザ素子に適用すると、GaAs等の半導体レーザ素子以上に電流狭窄領域を狭くする必要があり、より高い動作電圧が必要になる。レーザ素子の動作電圧は低い方が良いので、この手法の導入は困難である。 If the technique of reducing the waveguide layer thickness is applied to a nitride semiconductor laser element, the current confinement region needs to be narrower than that of a semiconductor laser element such as GaAs, and a higher operating voltage is required. Since it is better that the operating voltage of the laser element is low, it is difficult to introduce this method.
特許文献1に記載された窒化物系半導体レーザ素子の構造によれば、リッジ構造の外側に光吸収部が設けられているため、多横モードの原因である高次横モードの発振が抑制される。しかしながら単一横モード動作しているレーザ光も少なからず光吸収部に吸収されるため、光取り出し効率が低下し、発振しきい電流値が増大する。光吸収部を備える窒化物系半導体レーザ素子において、単一横モード動作しているレーザ光の吸収をできる限り小さくするには、1×10-1μmオーダーのプロセス精度が必要になり、量産性の低下を招く。 According to the structure of the nitride-based semiconductor laser device described in Patent Document 1, since the light absorbing portion is provided outside the ridge structure, the oscillation of the higher-order transverse mode that is the cause of the multilateral mode is suppressed. The However, since the laser beam operating in the single transverse mode is absorbed by the light absorption part, the light extraction efficiency is lowered and the oscillation threshold current value is increased. In nitride-based semiconductor laser devices having a light absorption part, in order to reduce the absorption of laser light operating in a single transverse mode as much as possible, a process accuracy of the order of 1 × 10 −1 μm is required. Cause a decline.
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、光取り出し効率の低下、発振しきい電流値の増大、駆動電圧の上昇といった問題を招くことなく、高出力でも安定して単一横モードを維持可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、そのような窒化物系半導体レーザ素子を光源として備える高性能の光記録再生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and does not cause problems such as a decrease in light extraction efficiency, an increase in oscillation threshold current value, and an increase in drive voltage, and a stable single transverse mode can be achieved even at high output. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device that can be maintained. It is another object of the present invention to provide a high-performance optical recording / reproducing apparatus including such a nitride semiconductor laser element as a light source.
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ素子は、基板上にn型窒化物半導体層、活性層及びp型窒化物半導体層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路となる中央リッジ構造が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、前記中央リッジ構造の外側には離間領域を備え、前記離間領域の外側には外側リッジ構造を備え、前記中央リッジ構造の等価屈折率は前記離間領域の等価屈折率よりも大きく、前記離間領域の等価屈折率は前記外側リッジ構造の等価屈折率よりも小さいことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a laser device according to the present invention has at least an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer on a substrate, and has a central ridge structure serving as a striped waveguide. A nitride-based semiconductor laser device provided, comprising a separation region outside the central ridge structure, and an outer ridge structure outside the separation region, wherein the equivalent refractive index of the central ridge structure is the separation The equivalent refractive index of the region is larger, and the equivalent refractive index of the separated region is smaller than the equivalent refractive index of the outer ridge structure.
上記構成のレーザ素子において、前記中央リッジ構造と前記外側リッジ構造との距離は前記離間領域を隔てて1.0μm以下であることが好ましい。 In the laser device having the above structure, it is preferable that a distance between the central ridge structure and the outer ridge structure is 1.0 μm or less across the separation region.
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域及び前記外側リッジ構造を構成する材料は、電極材料の金属および活性層内の材料を除いて、レーザ発光波長に対する吸収係数が0.1以下の材料で構成されることが好ましい。 In the laser device having the above structure, the material constituting the separation region and the outer ridge structure is made of a material having an absorption coefficient of 0.1 or less with respect to the laser emission wavelength, excluding the metal of the electrode material and the material in the active layer. It is preferred that
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域は、金属、半導体、誘電体、絶縁体、または空間のいずれかで構成されることが好ましい。 In the laser element having the above-described configuration, it is preferable that the separation region is formed of any one of a metal, a semiconductor, a dielectric, an insulator, and a space.
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域が絶縁体で構成される場合、当該絶縁体にはSiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、In2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、ZnS、AlN、AlON、Si3N4及びBi2O3のいずれかが選択されることが好ましい。 In the laser device having the above configuration, when the separation region is formed of an insulator, the insulator includes SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , In 2 O 3 , Nd 2. One of O 3 , Sb 2 O 3 , CeO 2 , ZnS, AlN, AlON, Si 3 N 4 and Bi 2 O 3 is preferably selected.
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域及び前記外側リッジ構造は等価屈折率が前記中央リッジ構造から遠ざかるにつれ漸増することが好ましい。 In the laser element having the above-described configuration, it is preferable that the separation region and the outer ridge structure gradually increase as the equivalent refractive index moves away from the central ridge structure.
上記構成のレーザ素子において、前記離間領域は前記p型窒化物半導体層の上部に離間領域第1層と離間領域第2層を少なくとも含み、前記離間領域第1層は前記活性層に近い側に配置され、前記離間領域第2層は前記活性層から遠い側に配置され、前記離間領域の外側には外側リッジ構造をなす層が配置され、レーザ発光波長に対する屈折率は前記外側リッジ構造をなす層の方が前記離間領域第1層よりも大きいことが好ましい。 In the laser device having the above configuration, the separation region includes at least a separation region first layer and a separation region second layer above the p-type nitride semiconductor layer, and the separation region first layer is closer to the active layer. The second layer of the separation region is disposed on a side far from the active layer, a layer forming an outer ridge structure is disposed outside the separation region, and a refractive index with respect to a laser emission wavelength forms the outer ridge structure. It is preferable that the layer is larger than the first layer in the separation region.
上記構成のレーザ素子において、前記中央リッジ構造の幅は0.5μm以上5μm以下であることが好ましい。 In the laser device having the above structure, the width of the central ridge structure is preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less.
また本発明は、上記構成のレーザ素子を光源として備える光記録再生装置であることを特徴としている。 Further, the present invention is an optical recording / reproducing apparatus including the laser element having the above-described configuration as a light source.
本発明の構成によると、中央リッジ構造に挟まれた電流狭窄領域の直下では単峰性の光出力分布を持つ基本横モードを発振させ、利得もレーザ発振に十分なものとすることができるが、双峰性の光出力分布を持つ高次横モードは、峰の位置が電流狭窄領域の外側方向にシフトし、光が電流狭窄領域の外側方向に放射してしまい、レーザ発振に至るほどの利得を得ることができない。このため、高出力領域でも高次横モードに移行せず、安定した単一横モード動作を維持することができる。 According to the configuration of the present invention, a fundamental transverse mode having a unimodal light output distribution can be oscillated immediately below the current confinement region sandwiched between the central ridge structures, and the gain can be sufficient for laser oscillation. In a high-order transverse mode with a bimodal light output distribution, the position of the peak shifts to the outside of the current confinement region, and light is emitted outward of the current confinement region, leading to laser oscillation. Can't get gain. For this reason, a stable single transverse mode operation can be maintained without shifting to a high-order transverse mode even in a high output region.
図1に示すのは第1実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子(以下単に「レーザ素子」という)1Aである。レーザ素子1Aは、下から順に、N電極10、n−GaN基板11、n−GaN層12、n−InGaNクラック防止層13、n−AlGaNクラッド層14、n−GaNガイド層15、n−InGaN活性層16、p−AlGaNバリア層17、p−GaNガイド層18、p−AlGaNクラッド層19、p−GaNコンタクト層20、絶縁膜21、及びP電極22を積層した構造を備える。
FIG. 1 shows a nitride semiconductor laser element (hereinafter simply referred to as “laser element”) 1A according to the first embodiment. The
n−GaN層12からp−GaNコンタクト層20までが窒化物系半導体である。その中で、n−GaN層12からn−InGaN活性層16までがn型窒化物半導体層及び活性層であり、p−AlGaNバリア層17からp−GaNコンタクト層20までがp型窒化物半導体層である。
From the n-
p−AlGaNクラッド層19の上部からp−GaNコンタクト層20にかけて、ストライプ状のリッジ構造が3対形成されている。すなわち対をなすリッジ構造30が中央に形成され、その左右両側には、それぞれ対をなすリッジ構造31が形成されている。以後、リッジ構造30のことを中央リッジ構造30と称し、リッジ構造31のことを外側リッジ構造と称する。中央リッジ構造30と外側リッジ構造31は、対をなすリッジ構造のうち図において左側に位置するもののみに符号が付されている。
Three pairs of striped ridge structures are formed from the upper part of the p-
中央リッジ構造30の端と外側リッジ構造31の端とは離間領域32の幅Dだけ離間している。「リッジ構造の端」は「リッジ構造領域の外側で、限りなくリッジ構造の側面に近接する位置」と定義する。離間領域32の幅Dの値は1.0μm以下とされており、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31は、離間しているとはいえ近接した位置関係にある。
The end of the
絶縁膜21は、中央リッジ構造30の側面と、外側リッジ構造31の側面及び上部、及び外側リッジ構造31の側方に位置するp−AlGaNクラッド層19の上面を覆う。p−GaNコンタクト層20の中で、中央リッジ構造30に挟まれた部分が上方に露出する。N電極10は基板11の下面のほぼ全体を覆い、P電極22はp−GaNコンタクト層20の露出部分と絶縁膜21を覆う。
The insulating
レーザ素子1Aは次のようにして作製される。先ず、n−GaN基板11に、通常用いられるMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法などの結晶成長方法を用いて、n−GaN層12、n−InGaNクラック防止層13、n−AlGaNクラッド層14、n−GaNガイド層15、n−InGaN活性層16、p−AlGaNバリア層17、p−GaNガイド層18、p−AlGaNクラッド層19、及びp−GaNコンタクト層20を積層する。
The
続いて中央リッジ構造30と外側リッジ構造31を形成する。中央リッジ構造と外側リッジ構造31は、p−GaNコンタクト層20からp−AlGaNクラッド層19の途中までが一部除去されることにより形成される。p−GaNコンタクト層20とp−AlGaNクラッド層19の除去は、フォトリソグラフィーを用いて、ICP(inductively coupled plasma)エッチング装置で行うことができる。
Subsequently, a
ICPエッチング装置で処理することにより、離間領域32の幅Dが1.0μm以下となるように中央リッジ構造30と外側リッジ構造31を、1回の処理で同時に精度良く形成することができる。中央リッジ構造の幅は0.5μm以上5μm以下であるものとする。なお外側リッジ構造31は中央リッジ構造30の両側に1対ずつ設けられているが、中央リッジ構造30に対面する位置に1個だけ設けられる構成であっても構わない。
By processing with the ICP etching apparatus, the
続いてSiO2からなる絶縁膜21を形成する。絶縁膜21は通常のスパッタ法などにより形成される。図1では中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の離間領域32でp−AlGaNクラッド層19の上部を完全に埋める形で絶縁膜21が形成されている。
Subsequently, an insulating
絶縁膜21の形成後、1対の中央リッジ構造30により挟まれた箇所の上部をフォトリソグラフィーで開口し、ウェットエッチングによりその箇所の絶縁膜21を除去する。その後、通常の方法によりN電極10とP電極22を形成し、ウェハを劈開及び分割して、半導体レーザ素子1Aのチップとする。リッジ構造のリッジストライプに直交する劈開端面には必要に応じて反射膜や保護膜が形成される。
After the formation of the insulating
電流はP電極22とN電極10の間を流れる。電流が流れる箇所が電流路となる。絶縁膜21によって電流路は規制され、絶縁膜21が存在しない、p−GaNコンタクト層20の露出部分からのみ電流が注入される。n−InGaN活性層16への電流注入幅は、中央リッジ構造30の下端同士の間隔にほぼ等しい幅となる。すなわち、電流路のうち中央リッジ構造30によって挟まれる部分が電流狭窄領域33となる。電流狭窄領域33の幅は0.5μm以上5μm以下とされる。
A current flows between the
n−InGaN活性層16のうち、電流狭窄領域33の直下に位置する部分がレーザ光の生成に関与する部分となる。光はn−InGaN活性層16の内部で共振し、生成されたレーザ光は紙面の手前側の端面、もしくは手前側と奥側の両端面から出射する。電流狭窄領域33が形成されていることにより、レーザ光の幅が狭くなるとともにn−InGaN活性層16を流れる電流の密度が増大し、レーザ発振に必要な駆動電力が少なくて済む。なお離間領域32及び外側リッジ構造31は、レーザ発光波長に対する吸収係数が0.1以下の材料から構成されるものとする。ただし、電極および活性層は、レーザ発光波長に対する吸収係数が0.1以上の材料(電極にあっては金属)から構成されてもよい。
Of the n-InGaN
レーザ発振の基本モードは単一横モードである。単一横モードとなるよう中央リッジ構造30が最適化されていなくても、基本的には単一横モードで発振する。しかしながら、
注入される電流(以下「注入電流」と称する)の量が増大すると、横モードが双峰化、マルチモード(多横モード)化する。これは電流−光出力特性におけるキンク現象として知られている。このような現象の発生機構を以下に説明する。
The fundamental mode of laser oscillation is a single transverse mode. Even if the
When the amount of injected current (hereinafter referred to as “injected current”) increases, the transverse mode becomes bimodal and multimode (multilateral mode). This is known as a kink phenomenon in current-light output characteristics. The mechanism of occurrence of such a phenomenon will be described below.
注入電流量が小さい領域では、n−InGaN活性層16における単峰性のキャリア密度分布と単峰性の基本横モードの光強度分布がよく一致しているために、双峰性の光強度分布を持つ高次横モードよりも基本横モードの方が利得大となり、基本横モードで動作する。
In the region where the injection current amount is small, the unimodal carrier density distribution in the n-InGaN
注入電流量が大きくなると、電流狭窄領域33の直下のn−InGaN活性層16の中央部分では、外側に比べ光強度が強いため、キャリアの消費量が多く、キャリア密度分布が凹状になる。この現象は空間的ホールバーニングと呼ばれる。このようにキャリア密度分布が凹状になると基本横モードは利得を得にくくなる。他方、双峰性の光強度分布を持つ高次横モードは、基本横モードに比べ利得が減少しにくい。この傾向が進むと高次横モードの利得が基本横モードの利得を上回ることになり、高次横モードの発振が生じ、キンク現象が発生する。
When the amount of injected current increases, the central portion of the n-InGaN
上記の通り、キンク現象の発生は高次横モードでの発振に起因する。従って、キンク現象の発生を回避しようと思えば、高次横モードの利得を減少させれば良い、ということになる。そこで本発明では、電流狭窄領域33の外側に、単峰性の光強度分布となる基本横モードでの発振に対しては利得を減少させるように作用せず、双峰性の光強度分布となる高次横モードでの発振に対しては利得を減少させるように作用する構造を形成して、高次横モードの利得を減少させる。
As described above, the occurrence of the kink phenomenon is caused by oscillation in a high-order transverse mode. Therefore, in order to avoid the occurrence of the kink phenomenon, it is only necessary to reduce the gain of the high-order transverse mode. Therefore, in the present invention, the oscillation in the fundamental transverse mode that is a unimodal light intensity distribution does not act on the outside of the
レーザ素子1Aでは、中央リッジ構造30の外側に形成された離間領域32と外側リッジ構造31が高次横モードの利得を減少させる構造を構成する。
In the laser element 1 </ b> A, the
電流狭窄領域33の直下に単峰性の強い光強度分布を持つ基本横モードは、P電極22より電流狭窄領域33を通じての注入電流により、安定して利得を得る。電流路が狭窄されていることにより、生成されたレーザ光の幅が狭くなると共に、n−InGaN活性層16を流れる電流の密度が増大して、レーザ発振に必要な駆動電力が少なくて済む。
The fundamental transverse mode having a unimodal strong light intensity distribution immediately below the
他方、双峰性の光出力分布を持つ高次横モードは、中央リッジ構造30の両側に外側リッジ構造31が、離間領域32の幅Dを隔てて1.0μm以下という近接した位置関係で設けられていることにより、双峰性の光強度分布はn−InGaN活性層16の広がりと平行な方向に広がる。前述の通り、電流狭窄領域33の直下に単峰性の強い光強度分布を持つ基本横モードは中央リッジ構造30の上部からの注入電流により安定して利得が得られるのに対し、中央リッジ構造30の外側に強い光強度分布を持つ高次横モードは、外側リッジ構造31の上部から電流が注入されるということがないため、利得が得られにくい。このため、注入電流量が増大しても高次横モードの利得が基本横モードの利得を上回ることはなく、高次横モードの発振が生じない。すなわち注入電流量が高レベルに達しても基本横モード動作が維持される。
On the other hand, in the high-order transverse mode having a bimodal light output distribution, the
離間領域32の幅Dが大きくなるとキンク現象回避の効果がなくなる。高次横モードの双峰性光強度分布に影響が及ばなくなる、すなわちキンク抑制の効果が得られなくなる離間領域32の幅Dの値は1.0μm超であることが、実験及び計算から判明している。
When the width D of the
図1の上方には等価屈折率のグラフが添えられている。本願発明の窒化物系半導体レーザ素子は窒化物系半導体層の積層面とは垂直な平面で仕切られた仮想的な領域Iから領域 VIIを有する。領域Iから領域VIIは中央リッジ構造30、離間領域32、外側リッジ構造31など、それぞれの構造の界面で仮想的に仕切られている。等価屈折率は領域Iから領域VIIで、領域毎に次のようにして算出する。
A graph of equivalent refractive index is attached at the top of FIG. The nitride-based semiconductor laser device of the present invention has virtual regions I to VII partitioned by a plane perpendicular to the laminated surface of the nitride-based semiconductor layers. The region I to the region VII are virtually partitioned by the interfaces of the respective structures such as the
n−InGaN活性層16の面に垂直な方向の層構造が同じになるよう、n−InGaN活性層16の面に平行な方向、すなわち水平方向で領域を多数に分割する。垂直方向の層構造が同じ各々の領域を単純な多層スラブ導波路として、波動方程式から導出される固有値方程式より基本横モードの伝播係数βを得る。伝播係数βを真空中の波数k0で除した値が、n−InGaN活性層16の面に対し垂直な方向の導波モードの等価屈折率である。つまり、本願発明の等価屈折率は例えば、図1の領域Iから領域VIIにおいて窒化物系半導体層の積層面に対し垂直方向の半導体層、絶縁層、金属層、及び空間などの層厚、屈折率から導き出されたそれぞれの領域毎の屈折率とする。
The regions are divided into a large number in the direction parallel to the surface of the n-InGaN
水平方向において層構造が連続的に変化している場合には、領域を水平方向に0.1μm単位で分割し、各々の分割領域における屈折率、層厚の最大値、最小値の平均値をその分割領域の屈折率、層厚として計算することになる。 When the layer structure changes continuously in the horizontal direction, the region is divided in units of 0.1 μm in the horizontal direction, and the refractive index, the maximum value of the layer thickness, and the average value of the minimum values in each divided region are calculated. The refractive index and the layer thickness of the divided area are calculated.
図1において、レーザ素子1Aの等価屈折率のグラフを見ると、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率に対し、離間領域32の等価屈折率は小さくなっている。このような等価屈折率の分布は、単一横モードのレーザ発振と高次横モードのレーザ発振に次のような影響を及ぼす。
In FIG. 1, when viewing the graph of the equivalent refractive index of the laser device 1 </ b> A, the equivalent refractive index of the
図9には図1のグラフ形状とともに3個の横長楕円が描かれている。上方に描かれた、1個の楕円(網掛けが施されている)は単一横モードを象徴する。下方に描かれた2個の楕円(水平なハッチングが施されている)は高次横モードを象徴する。 FIG. 9 shows three horizontally long ellipses together with the graph shape of FIG. One ellipse (shaded) drawn above symbolizes a single transverse mode. Two ellipses drawn below (with horizontal hatching) symbolize higher-order transverse modes.
基本モードである単一横モードは等価屈折率が下がった箇所の間に単峰性光出力分布の峰を有する。単一横モードに関しては利得をレーザ発振に十分なものとすることができる
が、双峰性の光出力分布を持つ高次横モードは、等価屈折率が下がった箇所の外側方向に峰の位置がシフトし、光が外側方向に放射してしまい、レーザ発振に至るほどの利得を得ることができない。このため、高出力領域でも高次横モードに移行せず、安定した単一横モード動作を維持することができる。
The single transverse mode, which is the fundamental mode, has a unimodal light output distribution peak between locations where the equivalent refractive index is lowered. For a single transverse mode, the gain can be sufficient for lasing, but a higher order transverse mode with a bimodal optical power distribution has a peak position outward from where the equivalent refractive index has decreased. Shifts and the light is emitted outward, and a gain sufficient to cause laser oscillation cannot be obtained. For this reason, a stable single transverse mode operation can be maintained without shifting to a high-order transverse mode even in a high output region.
続いて、第2実施形態以降のレーザ素子の構造を図2から図8までの図に基づき説明する。いずれの実施形態においても、第1実施形態と同一または機能的に共通する構成要素には第1実施形態で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。 Next, the structure of the laser device after the second embodiment will be described with reference to FIGS. In any embodiment, the same or functionally common components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those used in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
図2に示す第2実施形態のレーザ素子1Bは、第1実施形態のレーザ素子1Aの変形態様である。すなわちレーザ素子1Aでは中央リッジ構造30の両側の外側リッジ構造31はいずれも1対の側面を持つリッジ構造であったが、レーザ素子1Bでは外側リッジ構造31のうち中央リッジ構造30に対面する側面のみを残し、中央リッジ構造30に対面しない側面は廃止されている。
A
第2実施形態のレーザ素子1Bの外側リッジ構造31は、第1実施形態とは異なる、フォトリソグラフのマスクパターンを使用し、エッチングすることで形成される。第2実施形態のレーザ素子1Bでは、外側リッジ構造31の両側側面内の限られた領域で双峰性の光を制御することは難しくなるものの、第1実施形態のレーザ素子1Aに比べ、リッジ構造形成の手間が軽減されるという利点がある。つまり、外側リッジ構造31のうち中央リッジ構造30に対面する側面のみでも高次横モードの双峰は光が外側リッジ構造31に放射する効果を有する。
The
図3に示す第3実施形態のレーザ素子1Cは、第1実施形態のレーザ素子1Aと次の点が異なっている。すなわちレーザ素子1Cでは、電流狭窄領域33の外側、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の間の箇所に離間領域第1層34が形成されている。離間領域第1層34は中央リッジ構造30の端から始まり、その幅は1.0μm以下である。離間領域第1層34はp−AlGaNクラッド層19もしくは、p−AlGaNガイド層18の内部にのみ存在するものであり、p−AlGaNバリア層17にまで達する深さは有していない。
The
離間領域第1層34はリッジエッチング工程の後、再度フォトリソグラフィ法を用いて、離間領域32でかつp−AlGaNクラッド層19の露出部分にスパッタリングなどにより材料を積層させて形成することができる。また離間領域第1層34を空間もしくは真空とする場合は、絶縁膜21の製膜条件を調整することにより、完全に離間領域32を埋め込まない事で形成することができる。
After the ridge etching step, the separation region
離間領域第1層34を形成する事により、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31に対する離間領域32の等価屈折率差を、実施形態1および実施形態2よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものにすることができる。
By forming the separation region
離間領域第1層34は、半導体、誘電体、絶縁体、または空間のいずれかで構成される。
The separation region
離間領域第1層34が空間で構成される場合、その空間は真空であってもよく、空気等の気体で満たされる構成であってもよい。空気層により離間領域第1層34が形成されると、誘電体で離間領域第1層34が形成された場合に比べ等価屈折率段差をより大きくすることができるので、高次横モードの発振抑制という観点ではより望ましいものとなる。
When the separation region
離間領域第1層34が誘電体で構成される場合、その誘電体の屈折率は、p−AlGaNクラッド層19の屈折率より極力小さい方が望ましい。
When the separation region
離間領域第1層34が絶縁体で構成される場合、当該絶縁体にはTiO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、In2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、ZnS、AlN、AlON、Si3N4及びBi2O3のいずれかが選択される。
When the separation region
図4に示す第4実施形態のレーザ素子1Dは、離間領域32と外側リッジ構造31の境界が明確になっていない。その代わり、中央リッジ構造30の端から外側に向かうに従いp−AlGaNクラッド層19の厚さが漸増する。中央リッジ構造30の端から外側、すなわち電流狭窄領域33の外側の領域35が双峰性の光出力分布を持つ高次横モードの光が外側方向に放射される構造体となる。
In the
領域35はリッジエッチング工程において、フォトマスクの形状、レジスト種、レジスト形成条件、露光条件を実施形態1とは異なるものとしたり、エッチング速度条件を変化させ、中央リッジ構造30に近い部分を優先的にエッチングすることでp−AlGaNクラッド層19の厚みが漸増するように形成される。
In the ridge etching process, the
領域35の等価屈折率は中央リッジ構造30から遠ざかるにつれ漸増する。このような等価屈折率の勾配により、図9の動作原理図の現象が生じ、領域35は高次横モードの利得を減少させることとなる。
The equivalent refractive index of
図5に示す第5実施形態のレーザ素子1Eは、第4実施形態のレーザ素子1Dの変形態様である。すなわちレーザ素子1Dではp−AlGaNクラッド層19の厚さの増え方は直線的であったが、レーザ素子1Eではそれが曲線的になる。すなわち中央リッジ構造30の近くでは厚さの増え方の勾配が急で、中央リッジ構造30から遠ざかるに従い厚さの増え方の勾配が緩やかになっている。
A
領域35はリッジエッチング工程において、フォトマスクの形状、レジスト種、レジスト形成条件、露光条件を第1実施形態とは異なるものとしたり、エッチング速度条件を変化させ、中央リッジ構造30に近い部分を優先的にエッチングすることでp−AlGaNクラッド層19の厚さが漸増するよう形成される。この構成により距離Dをより小さくすることができる。
In the ridge etching process, the
図6に示す第6実施形態のレーザ素子1Fも外側リッジ構造31をp−AlGaNクラッド層19、及びp−GaNコンタクト層20とは異なる物質にて形成する。外側リッジ構造31を構成する層36はTiO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、In2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、ZnS、AlN、Si3N4及びBi2O3のいずれかであることが望ましい。外側リッジ構造体を形成する層36はリッジエッチング工程の後、フォトリソグラフィ法などを用いてスパッタリングなどで形成できる。
The laser device 1F of the sixth embodiment shown in FIG. 6 also forms the
中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率差は、第1実施形態においては同じ値となるが、外側リッジ構造31をなす層36を形成する事により、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31に対する離間領域の等価屈折率差を第1実施形態および第2実施形態よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものとして形成できる。また、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率差も任意に設定することができる。
The equivalent refractive index difference between the
外側リッジ構造31をなす層36は、SiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、In2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、ZnS、AlN、Si3N4及びBi2O3のいずれかの絶縁体、もしくはGaN、AlGaNなどの半導体であることが望ましい。
The
図7に示す第7実施形態のレーザ素子1Gは第6実施形態のレーザ素子1Fの変形態様である。レーザ素子1Gでは、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31をなす層36の間に離間領域をなす層37が設けられている。外側リッジ構造31をなす層36および離間領域37をなす層37はリッジエッチング工程の後、フォトリソグラフィ法などによりエッチングされたp−AlGaNクラッド層19の露出面上に選択的に形成される。外側リッジ構造体を形成する層36と離間領域をなす層37とは異種の材料とする。
A
離間距離をなす層37は、SiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、In2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、ZnS、AlN、Si3N4及びBi2O3のいずれかの絶縁体、もしくは空間であることが望ましい。
上記構成により、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率差は第1実施形態においては同じ値となるが、外側リッジ構造31をなす層36および離間領域をなす層37を形成することにより、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31に対する離間領域の等価屈折率差を第1実施形態および第2実施形態よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものとして形成できる。また、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率差も任意に設定することができる。
With the above configuration, the equivalent refractive index difference between the
図8に示す第8実施形態のレーザ素子1Hは第7実施形態のレーザ素子1Gの変形態様である。レーザ素子1Hでは、中央リッジ構造30とP電極22の間に離間領域をなす層38が設けられている。離間領域をなす層38は離間領域をなす層37とは異種の材料とされる。離間領域をなす層37を「離間領域第1層37」とし、離間領域をなす層38を「離間領域第2層38」とする。離間領域第2層38と外側リッジ構造31をなす層36は異種の材料でもよいが、プロセスの容易さから同一の材料である方が望ましい。
A
上記構成により、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率差は第1実施形態においては同じ値となるが、外側リッジ構造31をなす層36、離間領域第1層37、および離間領域第2層38を形成することにより、中央リッジ構造30と外側リッジ構造31に対する離間領域の等価屈折率差を第1実施形態および第2実施形態よりも精度の高い、もしくは自由度の高いものとして形成できる。レーザ発光波長に対する屈折率は、外側リッジ構造31をなす層36の方が離間領域第1層37よりも大であるように形成する。中央リッジ構造30と外側リッジ構造31の等価屈折率差も任意に設定することができる。
With the above configuration, the equivalent refractive index difference between the
レーザ素子1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、及び1Hは、光源からの光を光記録媒体に導いて情報の記録と再生を行う光記録再生装置の光源として用いることができる。
The
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
本発明は、窒化物半導体よりなるレーザ素子及びそれを光源に用いる光記録再生装置に広く利用可能である。 The present invention can be widely used for a laser element made of a nitride semiconductor and an optical recording / reproducing apparatus using the laser element as a light source.
1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H 窒化物半導体レーザ素子
10 N電極
11 n−GaN基板
12 n−GaN層
13 n−InGaNクラック防止層
14 n−AlGaNクラッド層
15 n−GaNガイド層
16 n−InGaN活性層
17 p−AlGaNバリア層
18 p−GaNガイド層
19 p−AlGaNクラッド層
20 p−GaNコンタクト層
21 絶縁膜
22 P電極
30 中央リッジ構造
31 外側リッジ構造
32 離間領域
33 電流狭窄領域
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H Nitride semiconductor laser element 10 N electrode 11 n-GaN substrate 12 n-GaN layer 13 n-InGaN crack prevention layer 14 n-AlGaN cladding layer 15 n-GaN Guide layer 16 n-InGaN active layer 17 p-AlGaN barrier layer 18 p-GaN guide layer 19 p-AlGaN cladding layer 20 p-
Claims (9)
前記中央リッジ構造の外側には離間領域を備え、
前記離間領域の外側には外側リッジ構造を備え、
前記中央リッジ構造の等価屈折率は前記離間領域の等価屈折率よりも大きく、
前記離間領域の等価屈折率は前記外側リッジ構造の等価屈折率よりも小さいことを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。 A nitride-based semiconductor laser device having at least an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer on a substrate and provided with a central ridge structure serving as a striped waveguide,
A separation region is provided outside the central ridge structure,
An outer ridge structure is provided outside the spacing region,
The equivalent refractive index of the central ridge structure is greater than the equivalent refractive index of the spaced region,
The nitride-based semiconductor laser device, wherein an equivalent refractive index of the separation region is smaller than an equivalent refractive index of the outer ridge structure.
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